前言：

 

在有线对讲机的案例中，拆解了通过模拟的基带电信号进行传输和通信的基本原理。

本文，将以无线调幅广播电台AM为案例，继续拆解，如何通过高频电信号（电磁波）信号对基带的电信号传输和通信的基本原理，

因此本文的重点在：

（1）模拟的调制解调技术的基本原理；

（2）电信号的时域与频率；

（3）负频率的物理意义；

（4）模拟调制的数原理；

（5）天线对电磁波信号的发送。

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Table of Contents

第一章 无线调幅广播AM简介

第二章 无线调幅广播电台系统的工作原理

第三章 模拟信号的调制与解调

3.1 模拟通信系统的模型

3.2 什么是模拟调制与解调

3.3 调制和解调的本质

3.4 调制解调的分类：

第四章 幅度调制AM的基本模型与数学原理

4.1 幅度调制AM的基本模型

4.2 负频率的物理意义

4.3 调制背后的数学原理：调制定理的数学解释

第五章 普通双边带幅度调制AM

5.1 普通幅度调制的调制

5.2 普通幅度调制的解调

5.3 普通幅度调制的特点

第六章 抑制载波双边带调制（DSB）：消除直流分量

6.1 DSB调制

6.2 DSB解调

6.3 DSB调制解调的特点

6.4 DSB拓展：通过双边带调制同时调制两路独立的信号

第七章 单边带调制（SSB）

7.1 SSB调制

7.2 SSB解调

7.3 DSB调制解调的特点

第八章 残留边带调制（VSB）

第九章 幅度调制各种技术的比较

第10章 无线调幅收音机的通信过程

11.1 信息的发送过程（电台）

11.2 信号的传输过程（电磁波）

11.3 信号的接收过程（收音机)

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第一章 无线调幅广播AM简介

调幅广播是采用调幅方式进行的无线电广播。

调幅是使载波的频率保持不变，其振幅按所传送信号的变化而变化的调制方式，用于长波、中波和短波广播。

优点：

在较大范围内传递稳定，不会因多径反射而使信号失真;

占用频带较窄(仅10KHz左右)，在中波、短波等频段内能容纳较多的广播电台；

接收机较简单，使用广泛。

缺点：是载波频率低，易受干扰，音质不如调频广播好。

加拿大籍物理教授费森登在1906年发明的广播即是调幅广播。

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第二章 无线调幅广播电台系统的工作原理

发话端：电台

（1）话筒：通过话筒，把低频的声音信号转换成低频的、微弱的、基带语音电信号。

（2）音频放大：通过音频放大器，把微弱的基带电信号进行幅度和功率放大，得到放大后的模拟的基带语音电信号。

（3）模拟调制：放大后的模拟的基带语音电信号，经过模拟调制电路，把低频语音信号调制到高频的载波信号上。

（4）高频放大：高频放大器，主要是指功率放大器，对调制后的电信号进行功率放大，以便通过无线电磁波传送较远的距离。

（5）滤波器：通过滤波器，滤除多余的高频噪声

（6）天线：用于把高频电信号耦合成电磁波信号，以便在空间中传播。

听话端：收音机

（1）天线，通过天线，接收到同频率的微弱的电磁波信号

（2）选频放大：对微弱的高频电信号进行幅度和功率放大。

（3）解调：把低频的低频的基带语音电信号从高频信号上卸载下来。

（4）音频放大：通过音频放大器，把微弱的基带电信号进行幅度和功率放大。

（5）喇叭：通过喇叭，把音频电信号，转换成声音震动信号。

如何把声音信号转换成电信号？如果把电信号进行放大？如何把电信号转换成声音信号?

参看：《图解通信原理与案例分析-10：楼宇有线对讲电话机案例--模拟基带点对点通信详解》进行了深入的拆解。

如果通过把高频电信号通过天线发送到空中呢？

参看：《图解通信原理与案例分析-11：无线调幅广播AM案例--天线以及高频信号的发送》

因此，本文的重点在：如何把低频的基带语音电信号加载到高频的电信号上，以便于通过天线发送，即模拟信号的调制与解调。

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第三章 模拟信号的调制与解调

3.1 模拟通信系统的模型

3.2 什么是模拟调制与解调

通信系统中发送端的原始电信号通常具有频率很低的频谱分量，一般不适宜直接在信道中进行传输，主要原因是：天线的长度与发送信号的波长有一个正比关系，低频信号需要几公里的天线。

因此，通常需要先将原始信号变换成频带适合信道传输的高频信号，这一过程被称为调制。

经过调制可以对原始信号进行频谱搬移，调制后的信号称为已调信号，已调信号携带有信息且适合在信道中进行传输。

按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。

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3.3 调制和解调的本质

在无线电通信中，利用高频率的电磁波作为信息的载体。

常有人把调制的过程比喻成通过高速的飞机装载包裹进行运送的过程，而解调就是卸货的过程。

这个比喻非常形象，也容易造成误导。

是乎调制过程就是把低频的电信号装载到高频的电信号上，调制后的信号中有低频信号和高频信号，

解调的过程是把低频的电信号从高频的电信号上取下来。

实际上，调制后的电信号中，并没有低频的电信号！

如果真有低频电磁波信号的话，一个带通滤波器就把低频率的信号给滤除了。

再说，天线也无法传送混杂在高频信号中低频率的电信号。

真相是：

（1）天线中传送的只有高频率的信号！没有低频信号本身。

（2）调制的本质是：

通过通过低频的基带电信号，去控制高频载波信号的某些特征（如幅度、频率、相位）！建立了调制后的高频信号的某个特征量与基带信号的幅度之间的数学对应关系，这种对应关系，可能是线性的，也可能是非线性的。

Sm（t）=A（t）cos [ω（t） +θ（t）]

即信号调制是使一种载波信号的波形的某些特性按另一种波形或信号而变化的过程或处理方法。

（3）解调的本质：

就是根据接收到高频载频信号的特征，在再生出原先的低频的基带电信号。

高频载频信号：实际就是一个正弦波信号或余弦波信号: y=Asin(wt+θ）或 Acos (ωt+θ)。

可以被控制的电信号的特征有：幅度、频率、相位。

调制后的信号表示为：

Sm（t）=A（t）cos [ω（t） +θ（t）]

A(t)：就是调制后信号的幅度相对于原载波信号的幅度，可以随时间变化，且这个变化关系正好与基带信号的时域信号是一致的。

W(t)：就是调制后信号的频率相对于原载波信号的频率，可以随时间变化，且这个变化关系正好与基带信号的时域信号是一致的。

θ（t)：就是调制后信号的相位相对于原载波信号相位，可以随时间变化，且这个变化关系正好与基带信号的时域信号是一致的。

因此，调制的本质就是建立载波信号的上述三种参数与低频的基带电信号的某种数学关系。

在这里还有个误区！有人总是认为载波是调制信号，然后去调制我们的输入信号。

其实恰恰相反，我们的载波是规则的、整齐的信号，它才是被调制的对象！

理解这一点非常重要！！！

调制解调的分类也是根据这种关系来划分的。

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3.4 调制解调的分类：

模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息，如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等等，我们通常又把模拟信号称为连续信号，它在一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值。

而数字信号是指在取值上是离散的、不连续的信号。

（1）按照被调制信号m（t）的类型分：模拟调试与数字调制

数字调制：被调制信号是基带数字信号，载波信号是模拟信号。

主要的类型有：幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）和正交幅度调制（QAM）信号。

模拟调制：被调制信号是基带模拟信号，载波信号是模拟信号。

主要的类型有：幅度调制AM，频率调制FM和相位调制PM。

数字调制，后续再讨论，本文主要讨论模拟调制，重点是幅度调制。

（2）按照载波信号被控制的信号参数类型分为：幅度调制、频率调制、相位调制

幅度调制AM：通过基带信号控制载波信号的幅度

频率调制FM：通过基带信号控制载波信号的频率

相位调制PM：通过基带信号控制载波信号的相位

（3）按照载波信号c(t)本身的类型分为：连续波调制、脉冲波调制。

（4）按照调制后的信号与原信号的关系分为：线性调制、非线性调制

本文探讨的是模拟调制、幅度调制、连续波调制、线性或非线性调制。

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第四章 幅度调制AM的基本模型与数学原理

4.1 幅度调制AM的基本模型

幅度调制是用调制信号的幅度去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律变化的过程 。

（1）AM调制的数学公式

在上述模型中，所谓用调制信号的幅度去控制高频载波的振幅，实际上就是用载波信号 * 载波信号，

即：Sm（t）=A（t）cos (ωt）

在上述数学公式中，

被调制后信号的幅度与基带信号的时域幅度是线性对应关系。因此还原出后信号的的幅度的时域波形，就还原出基带信号。

被调制后信号的频率与基带信号的时域幅度没有任何关系！

调制后信号的频谱分量与基带信号的频谱分量有固定的关系：Wc+Wm和Wc-Wm。即频谱搬移。

被调制后信号的相位与基带信号的时域幅度没有任何关系！

（2）AM调制的基带信号：

时域波形如下：

左边是：时域波形，是一定频率，幅度随时间变化的基带低频模拟信号。

右边是：频率波形，该载波信号包含两组频率分量，而不是两个。一组是是在(0, Wh)频率范围内的正低频频段，另一个是在（-Wh， 0）之间的“负”低频频段。

频率为正负的含义是，“正”频率表示，顺时钟旋转得到的正弦波，“负”频率表示，逆时钟旋转得到的正弦波。

正频率与负频率实际上是相差180度，即sinx与cosx，得到一个复数信号！任何一个模拟信号都可以通过复数信号的组合得到。

（3）AM调制的载波信号：

左边是：时域波形，是一定频率，幅度随时间变化的正弦或余弦波。
右边是：频率波形，该载波信号包含两个频率分量，一个是Wc与-Wc。

（4）AM调制后的信号=》理解这个非常非常重要！！！

那么两个时域的信号相乘后，得到调制后的信号，

调制后的信号在时域上是什么样子呢？

调制后的信号包含哪些频率分量的信号呢？

 

左图就是调制后信号的时域波形，该波形幅度，不再是原先正弦载波的幅度，而是随基带信号而变化。

右图就是调制后信号的频域波形，该波形内涵的频率分量，也不再是原先正弦载波的单一频率，而是以原先的正弦载波频率为中心的一段频谱，而频谱带宽也正好是基带信号的频谱带宽，频谱的幅度也正好是基带信号频谱的幅度。

这样就得到一个神奇的现象：以0频为中心的低频信号的频谱，被原封不动的搬移到以高频载波频率为中心的高频频谱上。这个现象，有一个专业的词：频谱搬移！！！

4.2 负频率的物理意义

上面的频谱分析出现了一个很奇怪的现象：频率为负数！

按理说，所有的频率都大于零，为啥会出现负数频率呢？负频率的物理意义又是什么呢？

理解这一点非常重要，为后续理解傅里叶变换的数学原理做适当的准备。

频率的原始定义是每秒出现的次数，可用以衡量机械运动、电信号、乃至任何事件重复出现的频度，这当然不存在有“负”的概念。

但当用频率描述圆周运动时(即进入了二维信号平面)，产生了角频率的概念。

从机械旋转运动出发，圆周运动的速度，称为角速度。

当运动是周期运动，角速度由被定义为专有的名词：角频率。

通常以逆时针运动的速度为正，因此转动的正频率是逆时针旋转角速度，负频率就是顺时针旋转角速度。

下图展现了正角频率与正弦函数的关系：逆时针旋转

y=sin（Wt）

下图展现了负角频率与正弦函数的关系：顺时针旋转（正好相差180°）

y=sin(Wt+π）= -sin（Wt）= sin（-Wt）

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4.3 调制背后的数学原理：调制定理的数学解释

这里就有一个疑问？低频信号（含有连续的多个频率分量）与高频载波信号sinx向乘后的结果，为啥会出现频谱的搬移现象呢？

有没有数学上的解释？

幅度调制简化模型如下：

简化后的数学公式如下：

在进一步简化：

假设m(t)中只有一个频率，而不是一段线性频谱，

m(t) = cos(Wm*T)

Sm(t） = Cos(Wc*t）* Cos(Wm*t）

根据三角函数的积化和差公式：

就可以得到：

Sm(t） = Cos(Wc*t）* Cos(Wm*t）

           = 1/2【Cos(Wc-Wm）*t+Cos（Wc+Wm）*t】

相乘、转换得到的是两个余弦波形在时域上的叠加。

一个是余弦波形的频率是Wc-Wm

一个是余弦波形的频率是Wc+Wm

也就是说，两个周期信号相乘后，得到波形是另外另个周期信号的叠加，新的周期信号的频率与原有信号的频率的关系是：

W1=Wc-Wm; W2=Wc+Wm。

频谱图为：

这就是频率搬移。

如果没有直流分量，那么相乘后的信号，只有搬移后的信号的频率分量，连载波分量也没有了，即线程后的信号中，并没有Wc的频率分量。

上述的分解过程有一个前提条件：基带信号是一个Wm的单音（单频谱）周期信号，如果Wm是一个复音一段频谱信号，那么相乘后的信号的频谱变成如下的图形：

可以看出，合成后中，并没有Wc载波频率分量（因为没有直流被调制信号没有直流分量）

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第五章 普通双边带幅度调制AM

根据调制后信号内含的基带信号的特征，幅度调制又分为：

普通调幅（AM）、抑制载波双边带调制（DSB）、单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）等。

5.1 普通幅度调制的调制

（1）调制器模型

（2）数学表达式

（3.1）时域波形图--正常

（3.2）时域波形图--过调幅失真

（4）频域频谱图

• 基带频谱

• 载波频谱

• 调制后的频谱

5.2 普通幅度调制的解调

（1）解调器模型：非相干解调

（2）解调器数学表达：非相干解调

无信号运算，直接用包络检波电路即可

电容器：过滤高频信号

二极管：把交流变成直流

（3）解调器的时域波形

（4）解调器的频谱图

5.3 普通幅度调制的特点

（1）带宽: 2倍带宽

很显然，这种调制方式，有两个边带，携带了相同的基带信息，但解调时，只需要其中一个边带，浪费了传输带宽。

（2）传输功率

• 当无有效基带信号时

直流分量不携带信息，但占用了大量的发送信号的功率。这就是发送功率的浪费。

• 当包含有效的基带信号时：

双边带传输，携带了2份完全相同的传输信息边带信号，解调端其实只需要一个边带，因此这也属于发送功率的浪费。

（3）调制效率

AM信号的总功率包括：直流载波功率和边带功率两部分。

其中边带功率又等于=左边带+右边带功率。

总的来讲，普通的幅度调制解调，虽然电路简单，但调制效率不高，功率浪费严重。

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第六章 抑制载波双边带调制（DSB）：消除直流分量

在前面的分析，我们可以看出，普通的幅度调制有两个缺点：

• 调制后的信号中包含不携带任何信息的载波直流分量
• 调制后的信号中包含2个携带相同信息的边带信号

相对与普通的幅度调制相比较，抑制载波双边带调制最重要的限定词是：“抑制载波”，它的含义是：去抑制掉调制后信号中的直流分量，即调制后的信号中，只有基带信号的信息分量。

6.1 DSB调制

（1）调制器模型：无直流分量

（2）数学表达式

（3）时域波形图

没有直流分量，导致载波的包络与基带信号的包络不再是线性关系。

因此双边带调制属于非线性调制。

（4）频域频谱图

• 基带频谱

基带信号的频谱在0频附近，并以0轴为对称，因此基带信号的带宽，正好同时覆盖上下边带，不需要2倍的带宽。

• 载波频谱

• 调制后的信号频谱

双边带调制后，调制后的信号的带宽是基带带宽的2倍。

6.2 DSB解调

（1）解调器模型：相干解调

所谓相干：就是解调端检波信号与调制端的载波有某种关联。

（2）解调器数学表达：相干解调

信号相乘后的信号，并非就只有基带信号！！！还包含了基带信号的频率分量与2Wc的高频分量！！！

因此必须通过低通滤波器后，滤出高频分量，剩下的就是解调后的基带信号，

滤波后的信号幅度是解调前信号中基带信号幅度的一半，因此还需要线性放大器，放到解调后信号的幅度。

备注：

滤波器是一种能滤除时域信号中特定范围内的频率分量的信号，因此滤波器在调制解调中起着至关重要的作用！！！

（3）解调器的时域波形

（4）解调器的频谱图

6.3 DSB调制解调的特点

（1）带宽

很显然，这种调制方式，有两个边带，携带了相同的基带信息，但解调时，只需要其中一个边带，浪费了传输带宽。

（2）传输功率

很显然，调制后的信号中只有基带信号的功率分量，没有了只载波直流分量的功率了。

（3）调制效率

DSB信号的总功率只包含边带信号的功率，不含有载波直流功率。

所以DSB信号的调制效率是100%，即全部功率用于信息的传输。

6.4 DSB拓展：通过双边带调制同时调制两路独立的信号

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第七章 单边带调制（SSB）

单边带调制（英文是Single-sideband modulation，缩写为SSB），是一种可以更加有效的利用电能和带宽的调幅技术。

DSB调幅技术输出的调制信号带宽为源信号的两倍。单边带调制技术可以避免带宽翻倍，同时避免将能量浪费在载波上，不过实现比较复杂，成本也会增加。

7.1 SSB调制

（1.1）调制器模型-1： 滤波法

单边带与双边带的调制模型是一致的，不同的是：在信号发送到空间中前，增加了边带滤波器，该滤波器可以滤除上边带或下边带的频率分量。

（1.2）调制器模型-2： 相移法

（2）数学表达式

单边带与双边带的调制模型是一致的，不同的是：在信号发送到空间中前，增加了边带滤波器，该滤波器可以滤除上边带或下边带的频率分量。

滤波后的信号表达式为：

（3）时域波形图

这是DSB调制后的时域波形：

SSB在SSB的基础之上，滤除了上边带或下边带的高频分量，因此信号的波形与上述波形应该有所差异。

（4）频域频谱图

• 基带频谱

• 载波频谱

• 调制后的信号频谱

在SSB调制下，调制后信号的频谱中只有上边带或下边带。

因此，单边带调制时，只传输上边带或只传输下边带。

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7.2 SSB解调

（1）SSB解调器模型：相干解调

（2）SSB解调器数学表达

（3）SSB解调器的时域波形

波形与基带信号一致，但幅度是基带信号的1/4。

在节省了发送功率的同时，也降低了基带信号的功率，不利于信号的恢复 。也不利于信号的抗干扰性。

（4）SSB解调器的频谱图

相对于双边带，解调后，只有单个边带的信号频谱，信号带宽降低一半。

7.3 DSB调制解调的特点

（1）带宽

调制后的信号的带宽与基带的带宽一致。

（2）传输功率

相对于双边带，单边带只发送一个边带，所需要的发送信号的带宽降低了一半，发送信号的功率也降低了一半。

（3）调制效率

调制信号完全用于传递基带信号，因此相对于普通双边带调制，SSB调制效率100%。

（4）优点

最大化的利用带宽传输，传递有用的基带信号，相对于双边带调制，单边带调制只需要一半的带宽，带宽与基带信号的带宽完全一样，没有富余量。

（5）缺点

• 解调的信号的幅度是原先信号幅度的1/4，这不利于在空中信号的传输与恢复，抗干扰能力降低。
• 单边带滤波器的要求太高。因为上下边带信号的频谱是相邻的，要滤除半个边带，滤波器必须非常的陡峭，在工程实践中，对期间的要求太过，要么就很难实施，要么就成本大幅度增加。为了解决此问题，残留边带调制（VSB）被提了出来。

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第八章 残留边带调制（VSB）

残留边带调制与单边带调制的过程基本类似，在这里将不再赘述。

仅仅展现VSB调制与SSB调制的区别：

信号的带宽：

残留边带信号的带宽处于双边带与单边带信号带宽之间：

当Wa无限接近0时   ，就是单边带信号

当Wa无限接近Wm时，就是双边带信号

在工程实践中，残留边带信号的滤波器很容易实现，相对于SSB， VSB在通信系统中得到了广泛的应用。

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第九章 幅度调制各种技术的比较

（1）普通AM调制：

优点：

• 解调的接收设备简单

缺点：

• 功率利用率低，抗干扰能力差，在传输中如果载波遇到信道的选择性衰落，则在包络检波时会出现过调失真
• 信号频带较宽，频带利用率不高，因此AM调制用于通信质量要求不高的场合。

应用场合：

• 主要用在中波和短波的调幅广播中。

（2）DSB调制

优点：

• 是功率利用率高，

缺点：

• 带宽与AM相同，
• 接收要求同步解调，设备较复杂。

应用场合：

• 只用于点对点的专用通信，运用不太广泛。

（3）SSB调制：

优点

• 功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和选择性衰落能力均强于AM，而带宽只有AM的一半；

缺点：

• 对带通滤波器的要求较高，稍有不少，就会把另一个边带的信号带入到系统，称为干扰。
• 发送和接收设备都很复杂

应用场合：

• 鉴于这些特点，SSB调制普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波无线电广播和频分多路复用系统中。

（4）VSB调制：

诀窍在于部分抑制了发送边带，同时又利用了平缓滚降滤波器补偿了被抑制的部分。

VSB的性能与SSB相当。

VSB解调原则上也需要同步解调，但在某些VSB系统中，附加了一个足够大的载波，就可以用包络检波法解调合成信号（VSB+C），这种方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点，所有这些特点，使VSB对商用电视广播系统特别具有吸引力。

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第10章 无线调幅收音机的通信过程

11.1 信息的发送过程（电台）

（1）信源：帅哥A，在电台

（2）信息：对美女的爱慕之情

（3）消息：通过口腔，把爱慕之情通过模拟的声音信号表达出来：“I Love you"

（4）信源编码：通过话筒，声音信号转换成模拟的基带电信号

（5）高频调制/频谱搬移/混频

通过高频调制，（a）把低频基带信号的幅度调制到高频信号的幅度上；（b）把低频基带信号的频谱，搬移到高频载波信号频率附近。

（6）功率放大：调制后高频信号，通过功率信号放大器，对信号进行放大。

至此帅哥A“I Love you"的音频信号变成了如下的高频载波信号：

（7）信号发送：功率放大后的信号，经过天线就可以发送了

至此，基带信号通过载波幅度调制后，可以通过天线转换成电磁波信号，在空中进行传输了。

参见：《图解通信原理与案例分析-11：无线对讲机案例--天线以及高频信号的发送》：https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/108312071

11.2 信号的传输过程（电磁波）

携带帅哥A表白信息的电磁波信号，在空气中进行传播，一直传送对美女B的对讲机接收天线。

11.3 信号的接收过程（收音机）

（1）信宿：美女B，在听收音机。

（2）信号的接收：

美女B的无线对讲机的天线接收，接收到帅哥A通过无线对讲机发送的电磁波信号。

但美女B现在还不知道电磁波信号承载的是什么信息。

（3）线性放大LNA：

由于电磁波信号在空中传播会发散和衰耗，因此帅哥A的无线对讲机收到的电磁波信号其实是比如弱的，因此需要通过LNA对信号进行放大。LNA与功率放大器的区别是，LAN只放大信号电平，不放大噪声。

并得到如下的调制后的信号

（4）解调

通过模拟幅度解调（包络检波或相干解调），在本地还原出还原成基带电信号。

（5）信源解码：通过听筒，把模拟的基带电信号转换成空气震动的声音信号。

（5）消息：美女B通过耳朵把空气震动的声音信号转换成：“I Love you"消息，即听到了帅哥A的电话表白。

（6）信息：美女B根据亲耳听到的“I Love you”语音信号或消息，感受到了帅哥A对自己的爱慕之情。

至此，帅哥A通过模拟的高频载波电信号，把自己对美女的爱慕之情传递给了远处的美女B。

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参考：

5.1 幅度调制的原理 - 百度文库